生物腐植酸在低碳農(nóng)業(yè)中的地位與作用

羅 煜 張玉華 趙立欣 向 欣 程紅勝 趙小蓉 林啟美*

（1 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室 北京 100125 2 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 北京 100193）

1 生物腐植酸概述

1.1 生物腐植酸概念

腐植酸是指有機物料在微生物作用下，經(jīng)過分解與再合成的多個復雜過程，形成的呈酸性的無定形的高分子縮聚物。按照來源，可分為天然腐植酸和人工腐植酸，前者是以泥炭、風化煤和褐煤等為自然原料所生產(chǎn)的腐植酸，目前市場上的腐植酸主要是天然腐植酸[1]；人工腐植酸也稱生物腐植酸，近年來備受關(guān)注，一般是以工業(yè)和農(nóng)業(yè)有機廢棄物為原料，在人工控制的條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵反應生產(chǎn)的腐植酸[2]。

生物腐植酸制取所用的工農(nóng)業(yè)有機廢物種類繁多，主要包括：(1) 農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物和下腳料，如秸稈、廢渣、糠鼓等植物木質(zhì)纖維類殘留物；(2) 畜禽糞便，如雞糞、牛糞等；(3) 工業(yè)有機廢液，如糖蜜廢水、味精廢液等；(4) 一些特殊資源，如餐廚垃圾。不同原料由于其組成成分、發(fā)酵工藝不同，所得到的生物腐植酸的產(chǎn)量與品質(zhì)也不同。

1.2 生物腐植酸的特性與功能

生物腐植酸既具有腐植酸的一般性質(zhì)和特征，又具有一般腐植酸沒有的特點。研究結(jié)果表明，生物腐植酸主要特點有：(1) 縮合程度和碳含量較低，分子量小，滲透力更強，更容易被作物吸收利用；(2) 羧基和羥基等活性基團含量更豐富，同時還含有一定數(shù)量的氨基酸以及多種其他生理活性組分，生理活性和化學活性更強；(3) 色澤較淺，水溶性較好，絮凝極限高，緩沖容量大。生物腐植酸上述特點賦予其許多特有功能，使其產(chǎn)品廣泛應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等方面，如生物腐植酸肥料、飼料添加劑、農(nóng)藥等，具有改良土壤、增進肥效、調(diào)節(jié)作物生長、提高作物抗逆性和改善作物品質(zhì)五大作用[3,4]。

我國有機廢棄物資源豐富，其中，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7億噸，蔬菜廢棄物1億～1.5億噸，生活垃圾和人糞便等2.5億噸[5]，餐廚廢棄物不低于6000萬噸[6]。但是，若這些資源不能被很好地利用，不僅會造成資源浪費，而且會導致此類“資源”變成“污染源”。例如，秸稈焚燒對空氣質(zhì)量和交通安全構(gòu)成巨大的危害，餐廚廢棄物引發(fā)的“地溝油”和“垃圾豬”已成為食品安全的“大敵”。因此，利用以上工農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，研發(fā)生物腐植酸生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品，一方面可以保護我國有限的腐植酸礦產(chǎn)資源，而另一方面則是安全有效處置與資源化利用工農(nóng)業(yè)有機廢棄物的重要途徑[7]。

2 低碳農(nóng)業(yè)

2.1 低碳農(nóng)業(yè)的源起與特征

工業(yè)革命以來，由于大量消耗化石燃料、毀林開荒和改變土地利用方式等人類活動，大氣中CO2、CH4和N2O的濃度大幅度增加，分別從19世紀初的280 ppmv、715 ppbv和270 ppbv，提高到390 ppmv、1797 ppbv和321.8 ppbv[8]。如果延續(xù)目前的能源利用方式，2100年全球平均氣溫將升高1.0 ℃～3.5 ℃，造成不可逆的氣候變化。目前，能源短缺和環(huán)境污染已成為全球關(guān)注的焦點問題，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)高能耗、高污染的經(jīng)濟增長方式，合理推進節(jié)能減排，發(fā)展以低能耗、低排放、低污染為標志的低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，正在成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展的共同選擇。作為發(fā)展中國家，我國在能源及環(huán)境方面的問題尤其突出。我國明確提出了“建設生態(tài)文明，基本形成節(jié)約能源資源和保護生態(tài)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增長方式、消費模式”的理念，為可持續(xù)發(fā)展指明了方向，也使人們更加關(guān)注低碳經(jīng)濟的崛起。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全球溫室氣體循環(huán)中占有重要地位。根據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)第4次評估報告，其溫室氣體排放量介于電熱生產(chǎn)和汽車尾氣之間，農(nóng)業(yè)是溫室氣體的第二大重要來源[9]。同時，農(nóng)業(yè)也是巨大的碳匯，除了作物通過光合作用固定大量CO2，土壤是地球陸地表面最大的陸地碳庫，對全球碳循環(huán)具有舉足輕重的作用與影響。不少學者指出，農(nóng)業(yè)具有巨大的固碳增匯潛力，低碳經(jīng)濟的發(fā)展顯然離不開農(nóng)業(yè)的參與，低碳農(nóng)業(yè)成了當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與低碳經(jīng)濟交匯的一個熱點，是在應對全球氣候變化中應運而生的新生事物，是一種生態(tài)高值農(nóng)業(yè)模式。可以說，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)是應對全球氣候變化的重要舉措之一。

低碳農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通過先進的生產(chǎn)技術(shù)與方式，盡可能地減少能量消耗與物質(zhì)損耗，減少溫室氣體排放，減少環(huán)境污染，并獲得最佳的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益[10]。低碳農(nóng)業(yè)用碳經(jīng)濟或碳排放來衡量，與生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式不同，低碳農(nóng)業(yè)內(nèi)涵更為豐富，除倡導高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、生態(tài)等理念外，更強調(diào)原料開采與使用、產(chǎn)品加工、消費各環(huán)節(jié)的低能耗、低污染、低溫室氣體排放以及高產(chǎn)出。除了強調(diào)農(nóng)業(yè)本身的低碳特質(zhì)外，還注重包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“上游”中諸如化肥、農(nóng)藥等農(nóng)資生產(chǎn)和運輸?shù)牡吞夹?，以及“下游”中如農(nóng)產(chǎn)品包裝、運輸、使用在內(nèi)的低碳性。

2.2 低碳農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)路徑

根據(jù)低碳農(nóng)業(yè)特征，低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展顯然主要依靠現(xiàn)代科學技術(shù)創(chuàng)新和有關(guān)制度的革新與完善。首先，在制度層面上，可以通過建立農(nóng)業(yè)布局調(diào)整機制，大力推進與發(fā)展清潔生產(chǎn)機制、生態(tài)補償機制、農(nóng)業(yè)準入機制和綜合調(diào)節(jié)機制。在技術(shù)層面上，則可以通過大力推廣種植、養(yǎng)殖減排技術(shù)來實現(xiàn)，主要著眼于：(1) 減少化肥、農(nóng)藥、動力等能量和物質(zhì)的投入，提高資源利用效率；(2) 調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，推廣應用節(jié)能減排技術(shù)；(3) 資源化利用農(nóng)作物秸稈、養(yǎng)殖業(yè)糞便等各種廢棄物，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)一定程度的“碳中和”，減少加工、運輸?shù)呐欧?，而達到低碳目的。以上三項技術(shù)措施主要是通過節(jié)能減排，減少農(nóng)業(yè)能源消耗，降低農(nóng)業(yè)的“碳源”作用來實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)。但是，作為低碳農(nóng)業(yè)路徑實施的第四個技術(shù)手段往往被忽略，即固碳增匯，改良培肥土壤，增加地上植物生物量，擴大地下土壤碳庫。農(nóng)業(yè)固碳增匯的關(guān)鍵是擴蓄增容土壤有機碳庫。一般說來，土壤有機碳含量的提高，一方面可以改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量；另一方面可以提高土壤有機碳含量，擴大土壤碳庫容量。據(jù)Lal[11]估計，全球農(nóng)業(yè)土壤碳庫擴充潛力為1.2～3.1 Pg C/年，耕層土壤有機碳含量提高1 tC/a/hm2，發(fā)展中國家糧食產(chǎn)量年增加2400～3200萬噸，根莖產(chǎn)量年增加600～1000萬噸，農(nóng)業(yè)的固碳增匯潛力巨大。據(jù)估測，全球通過植物生物量每年固定約120 Pg碳，但是這部分有機碳最終又通過生物小循環(huán)全部釋放到大氣中，這主要是由于在長期的自然循環(huán)過程中，除少數(shù)植物有機質(zhì)進入土壤最終轉(zhuǎn)化成土壤腐殖質(zhì)外，其余絕大部分經(jīng)過土壤微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為CO2又返回大氣中。工業(yè)化以來對農(nóng)業(yè)土壤的過度利用導致土壤有機質(zhì)的加速礦化，目前的土壤凈固碳值一般為負，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕作栽培技術(shù)，包括秸稈還田、保護性耕作等技術(shù)措施，對土壤的固碳增匯效果并不十分理想，仍存在一些問題，需要另辟蹊徑，加強生物凈固碳作用，擴大土壤碳庫。

3 生物腐植酸在低碳農(nóng)業(yè)中的應用

鑒于生物腐植酸與“低碳農(nóng)業(yè)”密不可分的關(guān)系，隨著全球低碳經(jīng)濟的興起，生物腐植酸在低碳農(nóng)業(yè)中的作用受到人們廣泛關(guān)注?？傮w來看，生物腐植酸主要通過直接固碳和間接減排兩個途徑，發(fā)揮其在低碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，前者主要指直接提高土壤有機碳含量，擴大土壤碳庫容量；后者指改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量。此外，生物腐植酸還可以通過提高肥料利用率，促進廢棄物循環(huán)再利用等途徑實現(xiàn)間接減排。

3.1 生物腐植酸對農(nóng)田地上碳庫的擴蓄增容作用與機理

農(nóng)田地上碳庫一般是指農(nóng)田地上部生物量，生物腐植酸對農(nóng)田地上碳庫的擴蓄增容作用主要通過以下途徑提高生物來實現(xiàn)：

(1) 改良培肥土壤：生物腐植酸具有土壤腐殖酸相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，故能改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增強土壤通透性，提高土壤吸持水分和養(yǎng)分的能力，提高土壤養(yǎng)分含量[12,13]。

(2) 提高養(yǎng)分有效性和利用效率：生物腐植酸具有多種官能團，帶有大量的電荷，可以通過陽離子交換與吸附、螯合、絡合和吸附作用4種形式，將土壤中被固定的多種元素轉(zhuǎn)化成有效形態(tài)，并活化土壤中一些營養(yǎng)元素，提高養(yǎng)分的有效性與利用率[14,15]。

(3) 提高微生物活性：生物腐植酸本質(zhì)上為含碳有機物質(zhì)，可以作為微生物生長基質(zhì)，因此能夠提高生物活性，促進養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化，增強土壤活力；還有利于保持土壤生物多樣性，從而降低有害生物指數(shù)，相對地提高有益微生物數(shù)量。

(4) 增強作物抗旱能力，減少無效蒸騰，提高水分利用率：生物腐植酸對植物葉片的氣孔運動有明顯的影響，能縮小氣孔開張度，降低蒸騰速率，從而減少無效蒸騰所致的水分損失，提高蒸騰效率和水分利用效率。生物腐植酸有利于實現(xiàn)水肥一體化，提高水肥互作效應，從而間接地提高灌溉水利用效率。

(5) 促進作物生長，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)：生物腐植酸不僅含有豐富的NPK營養(yǎng)元素，而且含有一定量的中微量營養(yǎng)元素以及一些小分子氨基酸物質(zhì)，除了可以被植物直接吸收利用，還能促進作物的生理活性，促進種子萌發(fā)與根系發(fā)育，提高出苗率與成苗率，使幼苗發(fā)根快，次生根增多，根系生長快，吸收水分和養(yǎng)分能力增強[7,16]。此外，生物腐植酸不僅養(yǎng)分的有效性相對較高，而且養(yǎng)分的供給也比較緩慢而長期，有利于滿足植物生長對營養(yǎng)的需要，有利于一些次生代謝產(chǎn)物的合成與累積，減少硝酸鹽等物質(zhì)的累積，從而改善農(nóng)作物品質(zhì)。

3.2 生物腐植酸對農(nóng)田地下碳庫的擴蓄增容作用與機理

農(nóng)田地下碳庫是土壤有機碳、無機碳及植物根系生物量的總和。一般來說，對農(nóng)田地下碳庫的擴蓄增容主要是以增加土壤有機碳庫為主，這是由于：(1) 除了干旱和干旱地區(qū)的石灰性土壤含有一定量的無機碳外，其余土壤的無機碳含量一般很低；(2) 根系生物量在很大程度上取決于地上部生物量，比起土壤有機碳庫，其數(shù)量很低。因此，農(nóng)田地下碳庫主要指土壤有機碳貯量或土壤有機碳含量，農(nóng)業(yè)固碳增匯的關(guān)鍵是擴蓄增容土壤有機碳庫。

腐植酸類物質(zhì)本身就是土壤有機碳庫極其重要的組成成分，提高土壤腐殖酸含量，也就成為農(nóng)田地下碳庫擴蓄增容的主要目標之一?，F(xiàn)有研究結(jié)果顯示[5]，目前我國作物秸稈年產(chǎn)生總量約為7億噸，如果全部被焚燒，不僅影響空氣質(zhì)量，還造成大量溫室氣體CO2的排放。但若將其轉(zhuǎn)化為生物腐植酸且施入土壤，可以提高土壤有機質(zhì)含量，實現(xiàn)“貯碳于土”。例如，北京昌平區(qū)某蘋果園實驗基地通過連續(xù)三年施用通過餐廚廢棄物制取的BGB生物腐植酸(500公斤/畝，1畝=666.67 m2，下同)，土壤有機質(zhì)從不到1%提升至1.75%。當今，全球變暖趨勢愈演愈烈，減少溫室氣體排放呼聲日益高漲，這樣一種“貯碳于土、固碳降溫”的新舉措，必將日益受到人們的重視與關(guān)注，也將成為一個新興的研發(fā)領域。

全球有大量酸化、鹽漬化、沙化、污染等土地，利用腐植酸修復這些土地，也具有巨大的潛力[12]。在某種意義上，腐植酸類物質(zhì)是凈化生物圈、改善生態(tài)環(huán)境的寶貴資源。由于腐植酸類物質(zhì)巨大的內(nèi)外表面積，且含有大量的醌基、羧基、羰基、羥基等官能團，這些基團可與重金屬離子進行吸附、交換、絡合和螯合等作用，從而降低重金屬的活度，減輕其毒害作用。腐植酸類物質(zhì)還能夠通過疏水鍵，吸附固定一些脂溶性的長久的有機污染物，降低其生物有效性，減少植物吸收與累積，阻斷這些物質(zhì)進入食物鏈，從而不僅達到修復生態(tài)環(huán)境之目的，而且充分利用了寶貴的土地資源[12,13,17]。

3.3 生物腐植酸的間接減排作用

生物腐植酸間接減排主要體現(xiàn)在：(1) 提高化肥、農(nóng)藥、飼料利用率，減少這些農(nóng)資產(chǎn)品的消耗量，從而達到節(jié)約減排之目的；(2) 充分合理的利用工農(nóng)業(yè)有機廢棄物，不僅達到了廢棄物資源化利用之目的，而且減少了處理這些污染的投入與能源消耗，以及對生態(tài)環(huán)境的污染；(3) 減少了有機廢棄物堆放期間所產(chǎn)生的甲烷、CO2等溫室氣體；(4) 生物腐植酸改善了土壤通氣性能，減弱了土壤還原反應，可減少CH4和N2O的排放；(5) 相對傳統(tǒng)有機肥生產(chǎn)，生物腐植酸的發(fā)酵過程中CO2排放量大大減少；(6) 相對于礦物腐植酸生產(chǎn)，生物腐植酸生產(chǎn)過程設備投資少，能耗較低，而且節(jié)省了自然資源。

4 存在的有關(guān)問題與發(fā)展方向

我國從20世紀90年代初，開始研究利用工農(nóng)業(yè)有機廢棄物制備生物腐植酸的技術(shù)。我國有關(guān)生物腐植酸在低碳農(nóng)業(yè)中的基礎研究以及應用還處于起步階段，仍然存在許多不足，主要表現(xiàn)在：(1) 產(chǎn)品技術(shù)含量不高，應用面窄，尚未形成規(guī)?；a(chǎn)；(2) 產(chǎn)品門類五花八門，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊；(3) 科學研究不夠深入，生物腐植酸的功能及機理尚不完全清楚；(4) 缺乏行業(yè)標準與規(guī)范。

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，一方面腐植酸需求量逐漸增大，另一方面以煤炭為原料的天然腐植酸資源將逐漸減少，研發(fā)生物腐植酸技術(shù)及其產(chǎn)品已是大勢所趨，將成為前沿性交叉學科研究課題，也將是肥料企業(yè)產(chǎn)品升級換代的重要發(fā)展方向。

生物腐植酸產(chǎn)業(yè)具有得天獨厚的優(yōu)勢，具有環(huán)境友好的特征，其資源、技術(shù)、產(chǎn)品等三要素完全符合我國可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)方向，并具有廣闊的市場前景。因此，攻克生物腐植酸生產(chǎn)和應用的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)多功能綠色環(huán)保型生物腐植酸產(chǎn)品，必將對我國綠色低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，成為發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)的重要舉措之一。

[1]曾憲成，成紹鑫.腐植酸的主要類別[J].腐植酸,2002，(2):4～7

[2]于江，朱昌雄，郭萍，等.生物腐植酸對新疆甘草產(chǎn)地沙退化土壤修復效果評價[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010，31(3):369～373

[3]王天立.黃腐酸在農(nóng)業(yè)上的應用[J].腐植酸, 1992，(14):14

[4]宋茜萍.腐植酸的開發(fā)與應用[J].中國化工, 1998，(5):49

[5]孫振鈞，孫永明.我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報,2006，8(1):6～13

[6]許杰龍，張國霞，許玫英，等.餐廚廢棄物資源化利用的微生物技術(shù)研究進展[J].微生物學通報, 2011，38(6):928～933

[7]Ayuso M, H. ZT，and G. C, A Comparatives study of the effect on Barley growth of humic substances extracted from municipal wastes and from traditional organic materials[J]. Journal of Science food agriculture, 1996，72(4): 493～500

[8]CDIAC, Recent Greenhouse Gas Concentrations.Carbon Dioxide Information Analysis Center: Oakridge National Lab，2011

[9]Climate Change 2007: The Physical Science Basis.Working Group I.Cambridge，UK: Cambridge University，2007

[10]趙其國，黃國勤，錢海燕.低碳農(nóng)業(yè)[J].土壤,2011，43(1):1～5

[11]Lal, R., Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems.Food Policy, 2011. 36:S33～S39

[12]王國學.腐植酸肥料改土增產(chǎn)效果研究[J].腐植酸,1993，(4):38～40

[13]馮元琦.發(fā)展腐植酸類土壤改良劑[J].腐植酸,1993，(1):1～9

[14]梁宗存，武麗萍，成紹鑫.煤中腐植酸與尿素作用機理及其反應產(chǎn)物的組成結(jié)構(gòu)研究[J].1996，(3):10～12

[15]陸欣.煤炭腐植酸脲酶抑制劑應用效果研究[J].腐植酸, 1994，(4):10～14

[16]李緒行，邵莉楣，殷蔚.黃腐酸和汪平酸對小麥種子萌發(fā)與幼苗生長及綠豆下胚軸生根的影響[J].植物學通報, 1991，8(3):51～55

[17]羅道成，易平貴.腐植酸樹脂對電鍍廢水中重金屬離子的吸附[J].材料保護, 2002，35(4):54～56